Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) NASA/ESA do obserwacji wzrostu galaktyki „na lewą stronę” we wczesnym Wszechświecie, zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Galaktyka ta jest sto razy mniejsza od Drogi Mlecznej, ale jest zaskakująco dojrzała jak na tak wczesną porę Wszechświata. Podobnie jak duże miasto, galaktyka ta ma w swoim jądrze gęsty zbiór gwiazd, lecz staje się mniej gęsta na galaktycznych „przedmieściach”. I niczym duże miasto, galaktyka zaczyna się rozrastać, a powstawanie gwiazd na obrzeżach przyspiesza.
Jest to najwcześniejsze w historii odkrycie wzrostu galaktyk od wewnątrz. Aż do Webba nie było możliwe badanie wzrostu galaktyk na tak wczesnym etapie historii wszechświata. Chociaż zdjęcia uzyskane za pomocą Webba stanowią migawkę w czasie, naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Cambridge twierdzą, że badanie podobnych galaktyk może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób przekształcają się one z obłoków gazu w złożone struktury, które obserwujemy dzisiaj. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy.
„Zagadnienie ewolucji galaktyk w czasie kosmicznym jest ważne w astrofizyce” – powiedział współautor dr Sandro Tacchella z Cavendish Laboratory w Cambridge. „Mieliśmy mnóstwo doskonałych danych z ostatnich dziesięciu milionów lat i dotyczących galaktyk w naszym zakątku Wszechświata, ale teraz dzięki Webbowi możemy uzyskać dane obserwacyjne sprzed miliardów lat, badając pierwszy miliard lat kosmicznej obserwacji. historii, która otwiera wszelkiego rodzaju nowe pytania.”
Galaktyki, które dzisiaj obserwujemy, rosną dzięki dwóm głównym mechanizmom: albo wciągają, czyli akreują, gaz, tworząc nowe gwiazdy, albo rosną, łącząc się z mniejszymi galaktykami. To, czy we wczesnym Wszechświecie działały różne mechanizmy, jest otwartym pytaniem, które astronomowie mają nadzieję rozwiązać wspólnie z Webbem.
„Oczekuje się, że galaktyki zaczną się małe, gdy obłoki gazu zapadną się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc bardzo gęste jądra gwiazd i prawdopodobnie czarne dziury” – mówi Tacchella. „W miarę jak galaktyka rośnie i wzrasta powstawanie gwiazd, przypomina to wirującą łyżwiarkę figurową: gdy łyżwiarz ciągnie za ramiona, nabiera ona pędu i wiruje coraz szybciej. Galaktyki są nieco podobne, z gazem gromadzącym się później z większych i większych większe odległości wirują galaktykę w górę, dlatego często tworzą kształty spiralne lub dyskowe.”
Galaktyka ta, obserwowana w ramach współpracy JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey), aktywnie tworzy gwiazdy we wczesnym wszechświecie. Posiada bardzo gęste jądro, które pomimo stosunkowo młodego wieku ma gęstość podobną do współczesnych masywnych galaktyk eliptycznych, które mają 1000 razy więcej gwiazd. Większość procesów gwiazdotwórczych zachodzi dalej od jądra, a „grupa” gwiazdotwórczy jest jeszcze dalej.
Aktywność formowania się gwiazd silnie rośnie w kierunku obrzeży, w miarę rozprzestrzeniania się formowania gwiazd i powiększania się galaktyki. Ten typ wzrostu przewidywano za pomocą modeli teoretycznych, ale dzięki Webbowi można go teraz zaobserwować.
„Jednym z wielu powodów, dla których Webb tak bardzo zmienił nas, astronomów, jest to, że możemy teraz obserwować to, co wcześniej przewidywano poprzez modelowanie” – powiedział współautor William Baker, doktorant w Cavendish. „To tak, jakby móc sprawdzić swoją pracę domową”.
Korzystając z Webba, badacze wyodrębnili informacje ze światła emitowanego przez galaktykę na różnych długościach fal, które następnie wykorzystali do oszacowania liczby gwiazd młodszych w porównaniu ze starszymi, co przeliczyło się na szacunkową masę gwiazd i tempo powstawania gwiazd.
Ponieważ galaktyka jest tak zwarta, poszczególne obrazy galaktyki „modelowano w przód”, aby uwzględnić efekty instrumentalne. Wykorzystując model populacji gwiazd, który obejmuje zalecenia dotyczące emisji gazów i absorpcji pyłu, naukowcy odkryli starsze gwiazdy w jądrze, podczas gdy otaczający element dysku przechodzi bardzo aktywne powstawanie gwiazd. Ta galaktyka podwaja swoją masę gwiazd na obrzeżach mniej więcej co 10 milionów lat, co jest bardzo szybkie: galaktyka Drogi Mlecznej podwaja swoją masę tylko co 10 miliardów lat.
Gęstość jądra galaktycznego, a także duże tempo powstawania gwiazd sugerują, że ta młoda galaktyka jest bogata w gaz potrzebny do formowania nowych gwiazd, co może odzwierciedlać różne warunki panujące we wczesnym Wszechświecie.
„Oczywiście to tylko jedna galaktyka, więc musimy wiedzieć, co robiły inne galaktyki w tamtym czasie” – powiedział Tacchella. „Czy wszystkie galaktyki były takie jak ta? Analizujemy teraz podobne dane z innych galaktyk. Przyglądając się różnym galaktykom w czasie kosmicznym, być może będziemy w stanie zrekonstruować cykl wzrostu i zademonstrować, jak galaktyki rosną do swoich dzisiejszych rozmiarów”.